贯入法检测喷射混凝土早龄期抗压强度试验研究

2023-02-09孙俊戈兵赵珏高正阳赵阳李兴超

新型建筑材料 2023年1期

孙俊，戈兵，3，赵珏，高正阳，赵阳，李兴超

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建研院检测中心有限公司，北京 100013；3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

喷射混凝土是指借助压缩空气或其他动力输送，将混凝土拌合物或预拌混凝土通过充气管道送入喷射设备，并高速喷射至受喷面后快速凝结硬化所形成的一种混凝土。喷射混凝土技术具有工艺简单、施工高效和造价经济的特点，已在隧道建设工程中获得了广泛应用[1]。喷射混凝土锚喷支护与传统的支护形式相比具有突出的优越性，具有支衬、充填、隔绝、转化的作用，一方面，节约了钢材和木材，降低了施工成本；另一方面，使得施工简单，形成的支护结构相对稳定，减少了人工投入，有利于改善施工安全性和加快隧道施工进度，具有良好的经济和社会效益[2-4]。

近年来，鉴于安全及环保角度考虑，喷射混凝土的施工主要是通过远程控制的喷射机械来完成，减少了非机械给施工人员带来的安全隐患[5]。无论机械还是人工施工，隧道施工安全性和时效性是与喷射混凝土达到结构不发生破坏、同时起到支护作用的临界强度紧密相关[6-7]。目前，国内外尚无明确规定喷射混凝土“早龄期”的标准，24 h龄期以内的喷射混凝土通常被认为是“新喷射混凝土”或“未成熟喷射混凝土”[8]。现行相关标准对喷射混凝土早期强度也作了要求，JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》中规定地下工程用喷射混凝土的1 d抗压强度不应低于8 MPa，软弱围岩级浅埋隧道地下工程用喷射混凝土的3 h抗压强度不应小于2 MPa且1 d抗压强度大于设计值的40%。因此准确测试喷射混凝土早期临界强度，对保证施工安全、质量、进度三者之间协调性具有重要意义。

目前，测试混凝土结构实体强度方法主要包括回弹法、钻芯法、拉脱法、贯入法等。回弹法通常用于14 d龄期以后混凝土强度测试；鉴于喷射混凝土早龄期强度较低，采用钻芯法芯样加工则容易发生掉角等缺陷，难以获得准确的抗压强度；拉脱法通常用于10～100 MPa混凝土强度测试；现行的欧洲标准EN 14488—2—2006《Testing sprayed concrete-Part 2：Compres sive strength of young sprayed concrete》中规定了贯入法检测早龄期喷射混凝土抗压强度，但该方法贯入装置为火药驱动的射钉枪，每次驱动能量不一，对贯入深度存在一定影响，测试结果差异性较大，且存在误发射钉的情况，存在安全隐患[9]。TB 10426—2019《铁路工程结构混凝土强度检测规程》规定了贯入法所用设备要求、测试24 h龄期喷射混凝土强度线性回归曲线建立及换算方法。综上可知，回弹法、钻芯法、拉脱法均不适用于喷射混凝土早龄期混凝土强度测试，贯入法则需在规定设备条件下建立专用曲线后可计算喷射混凝土早龄期混凝土强度。

本研究基于普通喷射混凝土（未掺加纤维，以下称喷射混凝土），采用贯入式混凝土强度检测仪测试早龄期（336 h）内各个龄期贯入深度，同时测试该龄期时喷射混凝土150 mm×150 mm×150 mm立方体试件抗压强度，并根据贯入深度和混凝土抗压强度数据，绘制出不同龄期对应抗压强度发展趋势曲线，再分析不同数学拟合公式与发展趋势图契合度情况，针对性提出科学、合理的喷射混凝土早龄期抗压强度拟合计算公式，最终确定符合程度较高的专用测强曲线拟合函数，为隧道工程喷射混凝土施工的安全性和进度保证提供支持。

1 试验

1.1 原材料

（1）水泥：P·O42.5低碱水泥，安定性（沸煮法）合格，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的要求，主要技术性能如表1所示。

表1 水泥的主要技术性能

（2）粉煤灰：F类Ⅰ级，符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》和JGJ/T 372—2016的要求，主要技术性能见表2。

表2 粉煤灰的主要技术性能

（3）矿渣粉：S95级粒化高炉矿渣粉，符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》和JGJ/T 372—2016的要求，主要技术性能见表3。

表3 矿渣粉的主要技术性能

（4）细骨料：Ⅱ区天然砂，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 14684—2011《建设用砂》的要求，主要技术性能见表4。

表4 细骨料的主要技术性能

（5）粗骨料：5～10 mm单粒级配碎石，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 14685—2011《建设用卵石、碎石》的要求，主要技术性能见表5，颗粒级配见表6。

表5 粗骨料的主要技术性能

表6 粗骨料的颗粒级配

（6）速凝剂：液体无碱速凝剂，符合JGJ/T 372—2016和GB/T 35159—2017《喷射混凝土用速凝剂》的要求，主要技术性能见表7。

表7 速凝剂的主要技术性能

（7）减水剂：标准型聚羧酸系高性能减水剂，符合GB 8076—2008《混凝土外加剂》的要求，主要技术性能见表8。

表8 减水剂的主要技术性能

1.2 试验配合比

本研究采用C35强度等级喷射混凝土，根据JGJ/T 372—2016进行配合比设计。喷射混凝土中胶凝材料用量为450 kg/m3，其中水泥、粉煤灰和粒化高炉矿渣粉占比分别为70%、15%、15%，砂率取50%，聚羧酸系高性能减水剂、速凝剂掺量分别为胶凝材料质量的1%、6%。混凝土拌合物坍落度应在30 s内测试完成，控制值为（180±20）mm。

根据上述配合比设计原则，按质量法假定混凝土的湿表观密度2400 kg/m3计算配合比，如表9所示。

表9 试验用喷射混凝土的配合比 kg/m3

1.3 试验方法

1.3.1 试验条件

成型室和实验室温度应控制在（20±3）℃，相对湿度不低于50%，试验用原材料在上述环境中保持至少24 h。养护室温度控制在（20±2）℃，相对湿度不低于95%。

1.3.2 试验成型

试验需成型边长150 mm立方体混凝土试件。每组成型4个试件，共计30组，其中每组试件贯入深度试验试件1个，抗压强度试件3个。每组试块成型应取自同一盘混凝土，每盘拌制混凝土量不应少于25 L。主要成型过程如下：

（1）首先试拌不掺加速凝剂的混凝土拌合物，调整坍落度至（180±20）mm，坍落度测试应在30 s内完成。

（2）依据调整好的混凝土配合比，先后加入胶凝材料、骨料、减水剂、水重新配制混凝土，搅拌120 s后，再将液体无碱速凝剂加入拌合物中，搅拌20 s后立即卸料成型150 mm立方体混凝土试件。

（3）将试模置于振动台上振实混凝土，振动时间持续60 s，振动过程中若存在成型试模缺料，应及时补充混凝土拌合物，振动完成后，及时抹面，时间控制在2 min内。

（4）成型后试件带模放入标养室养护，3 h后拆模，再标准养护至试验龄期。

1.3.3 混凝土试块贯入试验

（1）试验设备：本研究所用贯入试验设备由检测仪主机、测钉、深度测量尺等部分组成，设备的主要技术参数见表10。

表10 贯入式混凝土强度检测仪的主要技术参数

（2）试验制度：待混凝土试块标准养护3 h后，开始同时进行混凝土贯入试验和抗压强度试验，且在15 min内完成贯入测试和抗压强度试验，各个试验龄期间隔时间见表11。

表11 试验间隔时间

（3）试验准备阶段：将被测试件成型侧面上的水泥浆、尘土等擦拭干净，并依次编号区分贯入试验和抗压强度试验用试块。在贯入深度测试试件的4个成型侧面上标识测点，测试测钉贯入深度时在混凝土试块的每个侧面布置4个测点，测点应避开蜂窝、麻面等表面缺陷的区域，共4个侧面16个测点。测试时将试件放置于坚硬平底上，使测试面向上。测点离试件边缘距离及彼此相隔间距不宜小于30 mm，混凝土试块的测点选取如图1所示。若测点所在位置有表面缺陷，根据测点选取要求在原测点周围位置重新进行选取。

图1 混凝土试块测点布置示意

（4）测量贯入深度：将贯入式强度检测仪轴线置于与混凝土测试面垂直角度，用力握住把手，防止反冲。扣动扳机，贯入测钉，然后拔出贯入式强度检测仪，用洗耳球吹净测孔，用深度测量尺测量贯入深度。测得的16个贯入深度中剔除3个最大值和3个最小值，取余下10个有效贯入深度的平均值作为该组试块的贯入深度代表值，精确至0.01 mm。

在试验过程中，每组贯入前应检查测钉磨损情况，当测钉能通过量规槽时，应更换测钉。测钉射入骨料、蜂窝和孔隙时，应按照测点选取要求，改变测点位置重新测量贯入深度。

1.3.4 喷射混凝土抗压强度试验

测量贯入深度的同时，根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试该龄期同组试块的立方体抗压强度实测值，最终得到一组抗压强度和测试深度的对应数据。由于24 h龄期之前强度较低，为保证试验结果准确性，采用最大量程300 kN的压力试验机。

2 试验结果与分析

本研究结合不同早龄期的试验结果，建立不少于3种以混凝土抗压强度为因变量（y，单位为MPa，下同）、贯入深度（x，单位为mm，下同）为自变量的专用函数曲线，对比分析各函数曲线拟合相关系数、抗压强度计算值与实测值偏差值（以下简称偏差值），最终确定适用于采用贯入法测试喷射混凝土早龄期抗压强度的通用函数曲线类型。强度专用曲线拟合函数确定原则如下：

（1）曲线拟合相关系数不小于0.990；

（2）参考TB 10426—2019相关规定，偏差值不超过基准偏差值（以下简称基准值）±12%。

试验贯入深度代表值与抗压强度实测值见表12，1#～16#为24 h龄期测试结果，17#～30#为24～336 h龄期测试结果。

表12 贯入深度与抗压强度试验结果

2.1 贯入深度代表值与抗压强度实测值整体分析

贯入深度代表值与抗压强度实测值整体分析是对3～336 h龄期贯入深度代表值与抗压强度实测值的拟合回归分析，拟合函数包括弗罗因德利希函数、渐近线函数和倒数函数，拟合情况分别见表13和图2。

表13 拟合函数回归分析情况

由表13和图2可知，拟合回归相关系数由大到小排列的函数为弗罗因德利希函数、倒数函数、渐近线函数，其弗罗因德利希函数、倒数函数回归系数均大于0.990，与实测强度曲线符合程度较高。拟合函数抗压强度计算值与实测值偏差见表14。

由表14可知，弗罗因德利希函数、渐近线函数、倒数函数拟合曲线偏差值超出基准值±12%的比例分别为27%、33%和47%，具体情况如下：

（1）弗罗因德利希函数拟合曲线偏差值超过基准值±12%的有8个，均在1#～9#之间，9#后偏差值均未超过基准值±12%，后期贯入深度与混凝土抗压强度曲线拟合符合程度相对较高。

（2）渐近线函数拟合曲线偏差值超过基准值±12%的有10个，其中有8个在1#～9#之间，2个在9#之后。

（3）倒数函数拟合曲线偏差值超过基准值±12%的有14个，其中有13个在1#～15#之间，1个在15#之后。

综合上述试验结果可知，弗罗因德利希函数、渐近线函数、倒数函数尽管拟合回归相关系数较高，但贯入深度与早期混凝土抗压强度存在一定的偏差，特别是7.0 MPa以下的偏差值与基准值的偏差较大。随着混凝土抗压强度提高，各个函数偏差值均趋于减小，其中弗罗因德利希均函数偏差值未超过基准值，拟合回归符合程度相对较高。由此可知，将所得试验结果分段进行拟合回归分析则更为科学、合理。1#～15#存在偏差大情况，分段分析应考虑偏差程度较大的划归一组。鉴于分段之间存在计算值连续性问题，因此将试验编号1#～16#、13#～30#划分为2组，即以24 h龄期为界线分段。

2.2 贯入深度代表值与抗压强度实测值分段分析

2.2.1 24 h龄期之前试验结果分段分析

24 h龄期之前贯入深度代表值与抗压强度实测值分段为3～24 h龄期的拟合回归分析，拟合函数包括指数函数、三次函数、幂函数和线性函数，其中线性函数为TB 10426—2019规定24 h龄期拟合函数，拟合情况分别见表15、表16和图3。

表15 拟合函数回归分析情况

由表16和图3可知，拟合回归相关系数由大到小排列的函数为三次函数、指数函数、线性函数、幂函数，其中三次函数回归相关系数为0.990，与实测强度曲线符合程度较高；三次函数、指数函数、线性函数、幂函数拟合曲线偏差值超出基准值±12%的比例分别为0、0、38%、25%。综合可知，三次函数、指数函数拟合回归相关系数较高，偏差值均未超出基准值±12%，且除1#～5#偏差值稍有出入，其他偏差值基本相同，因此三次函数、指数函数拟合回归与24 h龄期之前的贯入深度代表值与抗压强度实测值曲线符合程度较高。

表16 拟合函数抗压强度计算值与实测值的偏差值

图3 拟合函数回归曲线

2.2.2 24 h龄期之后试验结果分段分析

为保证分析具有连续性和完整性，分段分析采用相同的拟合函数，即24～336 h贯入深度代表值与抗压强度实测值拟合回归曲线函数分别为指数函数、三次函数和幂函数，拟合函数方程式与表15相同，拟合情况分别见表17、表18和图4。

表17 拟合函数回归分析情况

由表18和图4可知，拟合回归相关系数由大到小排列依次为三次函数、指数函数、幂函数，且相关系数均大于0.990，与实测强度曲线符合程度较高；三次函数、指数函数、幂函数拟合曲线偏差值超出基准值±12%的比例均为0。综合可知，三次函数、指数函数]幂函数拟合回归相关系数较高，偏差值均未超出基准值，其他偏差值基本相同，因此三次函数、幂函数拟合回归与24～336 h龄期的贯入深度代表值与抗压强度实测值曲线符合程度较高。

图4 拟合函数回归曲线

表18 拟合函数抗压强度计算值与实测值的偏差值

结合分段函数试验结果，三次函数拟合回归情况较其他函数符合程度较高，且偏差值均未超过基准值。同时在两段分析中可以看出，三次函数在14#时，计算值均为8.4 MPa，因此可以此计算值为两段界线值，大约是24 h龄期喷射混凝土抗压强度的实测值。为保证三次函数在分段拟合回归连续性和完整性，混凝土抗压强度值y与贯入深度x专用曲线函数可表示如下：